Evolution technique des moteurs
En compétition de vitesse auto et moto, et principalement sur les épreuves de Grand Prix, toutes les caractéristiques et évolutions techniques des moteurs sont reprises de façon extrêmement détaillée (et passionnante, avec des anecdotes sur les choix techniques, stratégies, et résultats en fonction de l'évolution des règlements techniques) sur le site anglais ci-après que je recommande vivement :
https://www.grandprixengines.co.uk/
Les différentes évolutions (liste non exhaustive) permettant d'augmenter le régime, le remplissage, la puissance, le rapport poids/puissance, donc les performances maximales des moteurs 2 et 4 temps ont été, depuis le début du 20eme siècle :
Evolutions appliquées progressivement en série :
- moteurs à 2 bancs de cylindres opposés ou en V pour limiter l'encombrement, abaisser le centre de gravité, avec configuration boxer refroidi par air à cylindres opposés et manetons à 180° ou en V avec en 4 temps 2 bielles par maneton pour un vilebrequin plus court et rigide, dans un premier temps sur bicylindres de motos et sur 12 et 16 cylindres d'automobiles avec une ouverture du V égale à 720/N cylindres permettant de conserver à la fois des intervalles d'allumage égaux et un équilibrage optimal (V12 à 60° et plus tard à 180°, V16 à 45° et 135°)
- plus grande résistance et allègement des composants avec utilisation d'alliage d'aluminium notamment pour les pistons
- abandon des soupapes latérales dans les années 50 au profit des soupapes en tête avec augmentation du taux de compression sur 4 temps en accord avec évolution de l'indice d'octane des carburants
- abandon des ressorts en épingle à cheveux sur soupapes en tête de moteurs 4 temps au profit de ressorts hélicoïdaux suite à une amélioration des qualités métallurgiques
- amélioration des pompes et circuit de graissage sous pression avec utilisation de paliers lisses en remplacement des roulements sur arbre(s) à cames et vilebrequin des moteurs 4 temps, d'abord en automobile, puis en moto à partir des années 60
- augmentation du rapport d'alésage/course avec cotes moins longue course ou carrées sur 4 temps
- abandon de la boîte de vitesses séparée sur motos 4 temps (sauf exceptions sur gros bicylindres) avec intégration de celle-ci au carter moteur à plan de joint horizontal
- optimisation de la forme des culasses de moteurs 4 temps (par ex hémisphérique ou crossflow permettant de grosses soupapes)
- optimisation des turbulences dans la chambre de combustion, notamment l'effet de "squish" créé par une zone d'écrasement périphérique sur la culasse qui permet de mélanger et renvoyer les gaz frais vers le centre de la chambre de combustion lorsque le piston atteint le point mort haut en fin de compression, et l'effet "tumble swirl" sur 4 temps par la forme et inclinaison de l'orifice d'admission qui engendre un tourbillon circulaire des gaz
- arbre(s) à cames en tête sur 4 temps, avec optimisation du diagramme de distribution
- bloc moteurs et culasses en aluminium en remplacement de la fonte
- accord acoustique admission/échappement sur moteurs 4 temps pour favoriser le remplissage et le balayage de la chambre de combustion
- augmentation du nombre de rapports de boîtes sur moteurs de série (6 en moto, 5 en automobile)
- culasses multisoupapes sur 4 temps, avec bougie centrale, angle réduit entre soupapes, calotte de piston de forme plate, et effet de turbulence optimisé
- lubrification améliorée (huiles de synthèse)
- passage du refroidissement par air à un refroidissement air/huile puis liquide sur moteurs boxer en automobile et sur motos (sauf modèles bas de gamme ou de faible cylindrée)
- augmentation du rapport volumétrique avec hausse de l'indice d'octane de l'essence
- avance à l'allumage variable et détecteur de cliquetis.
- suralimentation par turbocompresseur sur 4 temps (suivant évolution du règlement en compétition)
- diminution des frictions par revêtements spéciaux (DLC, céramique, ...) et réduction des jupes de piston sur 4 temps
Evolutions appliquées progressivement en série uniquement sur moteurs performants ou motos :
- suralimentation par compresseur volumétrique (généralement de type Roots à 2 ou 3 lobes jusqu'aux annees 50)
- lubrification à carter sec des moteurs 4 temps (à réservoir séparé) pour un meilleur refroidissement de l'huile (en particulier sur les moteurs refroidis par air/huile) avec un carter plus compact et moins d'effet de brassage ou de risque de dejaugeage en compétition de vitesse ou sur motos tout terrain
- alimentation par carburateurs multiples ou à double corps ou avec pompe de reprise (un carburateur par cylindre sur motos)
- pièces mobiles forgées
- carters en magnésium
- soupapes creuses refroidies au sodium sur 4 temps
- double allumage sur les cylindres 4 temps de gros diamètre
- rappel desmodromique des soupapes sur les 4 temps à arbre(s) à cames en tête
- pots de détente individuels par cylindre avec accord acoustique sur 2 temps
- admission par distributeur rotatif sur 2 temps (sauf si plus de 2 cylindres par banc) ou par clapet, avec augmentation de la taille ou du nombre de canaux de transfert
- calage à 180° au lieu de 360° sur motos bicylindres en ligne 4 temps jusqu'à 500 cm3
- augmentation du nombre de cylindres à 3, 4, et 6 sur motos
- rapport alésage/course supercarré sur moteurs 4 temps atmosphériques
- double arbre à cames en tête sur moteurs 4 temps, sans doute l'évolution la plus prestigieuse car reconnaissable visuellement et très longtemps réservée aux moteurs de Grand Prix
- remplacement des 6 et 8 cylindres en ligne 4 temps par des moteurs à plat ou en V, avec un vilebrequin plus court, en particulier sur les voitures à moteur arrière ou central, avec en compétition 2 bielles par maneton sur tous les moteurs en V
- collecteurs d'échappement tubulaires sur multicylindres 4 temps atmosphériques pour optimiser l'accord acoustique le plus souvent sur 3, 4, ou 5 cylindres d'un même banc à intervalles d'allumage égaux
- passage du vilebrequin crossplane au vilebrequin plat sur V8 de cylindrée limitée pour optimiser l'échappement avec un collecteur 4 en 1 par banc
- ajout d'un échangeur air/air (intercooler) sur moteurs turbocompressés pour abaisser la température d'air d'admission préalablement comprimé
- overboost permettant d'augmenter temporairement la pression maximale sur les moteurs turbocompressés
- turbocompresseurs multiples et d'inertie réduite pour limiter le temps de réponse des moteurs turbocompressés
- turbocompresseurs à géométrie variable pour limiter le temps de réponse des moteurs turbocompressés
- moteurs 4 temps en V plus compacts et légers avec en automobile une diminution du nombre de cylindres de 12 à 10 et même à 6 avec suralimentation, avec 2 bielles par maneton et parfois un angle du V différent de 720/N cylindres pour abaisser le centre de gravité si V plus ouvert ou réduire la largeur si V plus fermé, malgré des intervalles d'allumage inégaux ou un équilibrage non optimal
- conduits d'admission rectilignes sur 4 temps multisoupapes atmosphériques
- soupapes allégées (titane) sur 4 temps atmosphériques
- shifter sur boîte à crabots des motos de série pour limiter les pertes de charge au changement de rapport
Evolutions appliquées uniquement en compétition :
- utilisation de carburants spéciaux avec mélange d'alcool (et parfois également de benzol) dans l'essence pour réduire la température et augmenter le taux de compression sans risque de cliquetis sur moteurs 4 temps à compresseur des années 20 à 40, utilisation d'essence aviation Avgas ou mélange avec nitrométhane ou méthanol, ou carburant à base de toluène sur moteurs F1 turbocompressés des années 80
- mégaphone sans silencieux sur moteurs 4 temps atmosphériques, avec un échappement par cylindre jusqu'aux années 60
- rapport alésage/course hypercarré et proche de 2 sur moteurs 4 temps atmosphériques
- rappel pneumatique des soupapes sur moteurs 4 temps atmosphérique à très haut régime de rotation
- système anti-lag pour limiter le temps de réponse des moteurs turbocompresseurs en maintenant en pression la turbine
- alliage de béryllium pour certaines pièces (pistons,...) matériau déjà utilisé dans les années 60 sur des moteurs industriels (par ex insert de pistons sur V16 Diesel de locomotives CC72000) interdit ensuite en compétition suite à la dangerosité des poussières
- boîte de vitesse Seamless pour supprimer les pertes de charge au changement de rapport
- utilisation de la pression de sortie des gaz d'échappement pour augmenter les performances aérodynamiques en Formule 1
D'autres technologies n'améliorant pas directement les performances maximales mais le couple et la disponibilité à bas régime, la fiabilité, la consommation, la pollution, la compacité, la maniabilité, la motricité, la maintenabilité, la sécurité, ou la facilité de conduite seront appliquées progressivement (liste non exhaustive) :
- admission avec boîtier de filtre à air, notamment sur véhicules tout terrain
- carburateurs à dépression sur motos 4 temps
- graissage séparé sur 2 temps
- collecteurs d'échappement tubulaires sur multicylindres 4 temps performants
- allumage électronique
- moteurs 4 temps V4 et V6 pour limiter l'encombrement, avec manetons décalés en automobile (sauf V6 à 90°) pour conserver des intervalles d'allumage égaux avec angle entre bancs différent de 720/Ncylindres, mais pouvant nécessiter un arbre d'équilibrage
- multicylindres à intervalles d'allumage inégaux sur motos pour améliorer la motricité ou l'équilibrage
- poussoirs de soupapes hydrauliques sauf si régime très élevé
- entraînement des arbres à cames en tête par courroies crantées en automobile et sur quelques motos
pour diminuer l'encombrement et le bruit
- arbre(s) d'équilibrage si forces d'inertie alternative ou moments de forces non équilibrés
- boîte à air à l'admission (plénum avec papillon unique en automobile)
- injection indirecte et gestion électronique
- moteurs multisoupapes pour meilleure résistance des sièges avec essence sans plomb
- réduction des émissions polluantes par pot catalytique et augmentation du volume des silencieux
- valves à l'échappement
- rotation inversée du vilebrequin pour diminuer l'effet gyroscopique en moto
- utilisation du moteur comme élément structurel du chassis
- distribution variable sur 4 temps
- embrayage anti-dribble en moto
- embrayage bi-masse en automobile
- anti-patinage et autres aides électroniques
- cartographies moteur multiples avec commande des gaz électronique (système "Ride by wire" en moto)
- géométrie d'admission et/ou d'échappement variable sur moteurs 4 temps les plus performants
- vanne EGR pour recyclage des gaz imbrûlés
- système stop and start coupant le moteur à l'arrêt
- huile moteur multigrade à faible viscosité à froid (par ex 0W40 ou 5W50)
- coupure de certains cylindres à faible ouverture des gaz
- injection directe
- filtre à particules
- boîtes de vitesse automatiques ou robotisées
- hybridation avec moteur électrique (avec batterie rechargeable ou non par prise externe)
Parmi les évolutions non liées à l'architecture moteur et aux intervalles d'allumage, certaines ont eu une influence majeure sur la tonalité moteur :
- Les sorties d'échappement regroupées dans un ou plusieurs collecteurs tubulaires sur les moteurs 4 temps multicylindres les plus performants permettent d'optimiser le couple moteur à différents régimes, avec un poids et un encombrement réduit par rapport aux échappement individuels des premières motos à 4 ou 6 cylindres 4 temps, et une tonalité d'échappement modifiée suivant le couplage des cylindres :
- La boîte à air (plénum sur auto à papillon unique) équipant tous les moteurs depuis les années 80 environ, permet :
- si volume suffisant et forme adaptée d'augmenter le rendement (y compris par rapport à un cornet) en supprimant les turbulences et en ralentissant l'air ce qui augmente la pression (théorème de Bernoulli) tout en réduisant le bruit ou modifiant certaines résonances d'admission.
- grâce au positionnement de la prise d'air :
. si admission d'air forcé à l'avant du véhicule d'augmenter la pression d'admission à très haute vitesse
. d'éviter l'aspiration de l'air chaud à proximité du moteur, de l'eau et des impuretés (avec filtre à air)